过程控制工程课设置的目的和任务

绪论过程控制工程课设置的目的和任务Processcontrol（过程控制）课，是培养从事过程控制系统的方案设计，及其在工程上予以实施的能力。控制方案的形成有两个来源：一是来自控制原理的进展，讨论的核心问题是在保证系统稳定的基础上，如何提高系统的品质；而另一来源是为了满足工艺的特殊要求而开发出来的控制方案。本课的基础涉及到化工原理、控制原理和仪表计算机技术等学科知识。过程控制的发展简史硬件第一阶段：30-40年代，基地式仪表，就地控制第二阶段：40-50年代，电气动单元组合仪表，车间、工段或全厂集中控制第三阶段：60年代后，由于计算机的出现，全厂性、企管性控制过程控制手段40年代初：“黑箱子”时期50年代末：“灰箱子”时期，用反馈控制理论于生产过程50年代初、中：①对生产过程的模型的建立导致化工动态学的发展②用实验方法来探讨模型、系统辩识60年代：现代控制理论发展，我国75年后计算机控制较普遍，发展快过程控制设计从局部的设计到总体的设计，从单回路到多回路再到大系统从定值控制到浮动控制事故出现硬停车到软保护控制从离散控制（模拟仪表）到计算机控制学习方法及基本要求本课程上本专业的一门只要专业课，要求学生能综合运用所学的基础课、专业基础课及其他专业课知识，进一步掌握过程控制工程理论和实践知识，培养学生具有解决过程控制系统的分析、设计及投运的能力。本课程包括课堂教训、实验教学、课程设计、生产实习四个环节。学习本课程应注意自己的工程实际能力的培养。参考文献1、《化工过程控制工程》祝和运（浙江大学）化学工业出版社2、《过程控制系统及工程》翁维勤化学工业出版社3、《过程控制工程》庄兴稼华中理工大学出版社4、《过程控制系统》F.G.shinskeg方崇智译化工出版社5、《化工过程控制理论与工程》stephanopoluosG.关惕华译化学工业出版社六、学时安排课堂教学40学时；实验教学8学时。总计48学时第1章简单控制系统简单控制系统是指单回路控制系统，是最基本、结构最简单的一种，具有相当广泛的适应性。在计算机控制已占主流地位的今天，这类控制仍占控制70％以上。简单控制系统虽然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题，同时也是复杂控制系统的基础。掌握了单回路系统的分析和设计方法，将会给复杂控制系统的分析和研究提供很大的方便。简单控制系统结构组成及控制指标1.1.1简单控制系统结构组成简单控制系统由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）、测量变送装置、控制器和控制阀。有时为了分析问题方便起见，把控制阀、被控对象和测量变送装置和在一起，称为广义对象。如图1.1-1所示的水槽，控制要求是维持水槽液位L不变。为了控制液位，选择相应的变送器、控制器和控制阀，组成液位控制系统（即简单控制系统）。液位控制系统的工作过程：在平衡状态下，如果输入流量端存有干扰，使输入总流量增大，于是液位上升，随着的上升，控制器将感受到偏差（给定与测量的比较值），从而控制器输出将控制阀关小，使输入流量减小，液位将下降回到给定值，达到新的平衡。图1.1-1液位控制系统对于图1.1-1所示的液位控制系统可以画出它的方块图，如图1.1-2所示图1.1-2液位控制系统方框图从以上的液位控制系统工作过程可看出：在该系统中存在着一条从系统输出端引向输入端的反馈线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的。控制作用是纠正偏差的，所以负反馈是简单控制系统的一个特点。简单控制系统根据其被控变量的不同，可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。虽然这些控制系统名称不同，但是它们都具有相同的方块图和结构组成。由于此类控制系统从组成方块图上看，由一个测量变送装置、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象组成，并组成一个负反馈回路，因此简单控制系统也常称为单回路控制系统。1.1.对每一个控制回路来说，在设定值发生变化或系统受到扰动作用后，被控变量应该平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提出各种单项控制指标，把它们适当地组合起来，也可提出综合性指标。1.控制系统过渡过程单项指标控制系统按其输入方式不同可分为随动系统与定值系统，随动系统与定值系统控制要求有相同的一面，也有不同的一面。例如，系统同样必须稳定，但定值系统的衰减比可以低一些，随动系统的衰减比应该更高一些，随动系统的重点在于跟踪，要跟得稳、跟得快、跟得准；定值系统的关键在一个定字，要定得又稳又快又准。主要时域指标包括衰减比、超调量（最大偏差）、余差、调节时间和振荡频率。这些指标可从控制系统的过渡过程曲线上求取。图1.1-3单位阶跃响应曲线衰减比在欠阻尼振荡中，两个相邻的同方向幅值之比称为衰减比，前一幅值作为分子，后一幅值作为分母。如图1.1-3中的。衰减比是衡量稳定性的指标，≤1:1振荡，不能容许。为保持足够的稳定性，定值系统的=4:1为宜。对随动系统=10:1为宜，或采用过阻尼（ξ≥1）=0的形式。2）超调量与最大偏差在随动系统中，是一个反映超调情况，也是衡量稳定程度的指标。设被控变量的最终稳定值为，最大瞬态偏差为，则超调量的表达公式为：在定值控制系统中，最终稳态值是０或是很小的数值，仍用作为指标来衡量系统的超调不合适了，通常改用最大偏差作为指标反映系统超调量的大小。余差余差是系统的最终稳态偏差。因为，在定值情况下，，因此，余差是反映控制精度的一个稳态指标。4）回复时间和振荡频率过渡过程要绝对地达到新的稳态，需要无限长的时间，然而要进入稳态值附近±5%或±2%以内区域，并保持在该一区域之内，需要的时间是有限的，这一时间称为回复时间。回复时间是反映控制快速性的一个指标。在同样的振荡频率下，衰减比越大，则回复时间越短。同样在同样的衰减比下，振荡频率越高，则回复时间越短。因此，振荡频率在一定程度上也可作为衡量控制快速性的指标。图1.1-4随动系统过渡过程曲线图1.1-5定植系统过渡过程曲线[例1.1-1]某化学反应器，工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃解：最大偏差：=230-200=30℃余差：=205-200=5℃衰减比：震荡周期：=20-5=15min例1.1-1题图过渡时间（调节时间）：。再：工艺规定操作温度为200±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度规定值最大不得超过15℃，而该调节系统=30℃2.控制系统过渡过程综合性指标综合性指标往往采用积分鉴定的形式一般来说，过渡过程中的动态偏差越大，或是回复的越慢，则值将越大，表明控制品质越差。但不宜直接用动态偏差作为函数。是及的一个泛函值。通常采用以下形式：1)平方误差积分准则ISE(IntegralofSquaredErrorcriterion),2)绝对误差积分准则IAE(IntegralofAbsolutevalueofErrorcriterion),3)时间乘绝对误差积分准则ITAE(IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofErrorcriterion),对于存在余差的系统，不会最终趋于零，有存在，上面三种形式的积分鉴定值J都将成为无穷大，无从进行比较。此时可用作为误差项代入。一般地说，ITAE为最小值的系统往往衰减比很大，ISE为最小值的系统回复时间很短，但过渡过程的振荡比较剧烈。如下图所示：图1.1-6应用不同偏差积分性能指标下的闭环响应在工作中，具体选何种指标，应根据控制系统性能及工艺要求而定。1．2典型受控过程本节主要介绍几种常见简单环节特性，然后列出由它们组成的一些实际过程。1．2．1纯滞后过程 纯滞后：指在输入量变化后，看不到系统对其响应的这段时间。当物质或能量沿着一条特定的路径传输时，就会出现纯滞后。路径的长度和运动速度是决定纯滞后大小的两个因素。因此纯滞后也称为传输滞后。纯滞后一般不单独出现，同时不存在纯滞后的生产过程也很少。任何对控制系统设计有关的技术都会涉及纯滞后问题。图1-7所示一个传送纯滞后例子：图1.2-1纯滞后过程示意图传递函数：，L指距离，V指速度频率特性：纯滞后环节幅频特性对系统无影响，相频特性对系统的影响大且随频率增加纯滞后影响。1.2.2单容过程容积：指储存物质或能量的地方，其作用就象流入量和流出量之间缓冲器。无自衡图1-11无自衡单容过程基本方程：①输入流量—输出流量=单位时间容积的累积量变化②液位差/流阻=流出流量推导传递函数：∵∴拉氏变换式∵为常量其增量为0，即=0，则，则，其中为积分时间常数。写成一般形式：，为积分时间常数，频率特性：特点：无自衡过程在没有自动控制系统情况下，不允许长时间没人看管，应设置自动控制系统。2．有自衡传递函数的推导：∵与的静态特性为非线性关系,为比例系数（与手动阀开度有关）假定调节系统为定值控制（线性化）：图1.2-2有自衡单容过程（为设定值，为液阻）则，，设取拉氏变换写成一般形式：（一阶惯性环节）， （放大系数）；（时间常数）其频率特性：，具有低通滤波器的作用。1．2．3多容过程1.没有相互影响的双容过程（如图1-12所示）图12-3没有相互影响双容过程传递函数的推导：（相当于两个二阶环节串联）A1、A2表示储槽的横截面积，R1、R2表示储槽的液阻。令，，，则两个极点、、负实极点、非震荡自衡过程。2.具有相互影响的双容过程图1.2-4有相互影响双容过程结论：①液位对输入流量的响应不再是一阶过程，而是二阶过程。②对流量的响应s项多了项，可理解为相互影响因子。讨论：以上传递函数的二个极点1）当，则为两个不同的实根，表明两个相互影响的容积可等效为两个不相互影响的容积。不过是时间常数需校正，过程总是呈过阻尼状态（）。2)假定两个储槽具有相同的时间常数（），因此相互影响是改变了两个储槽的等效时间常数比例。一个储槽的反应变的快，而另一个反应变的慢。由于时间响应主要受慢作用的牵制，所以存在相互影响的时间响应要比无相互影响时显得缓慢（如图1-14所示）。图1.2-5液位储槽的阶跃响应（1—相互无影响，2—相互有影响）3.多容过程1）没有相互影响的多容过程变化特点，是可表示为由N个一阶环节组成（串联）的系统，如图所示：图1.2-6没有相互影响的多容过程信号框图设图中：，，设整个过程的传递函数为：图1.2-7无相互影响的多容过程阶跃响应图特点：①当T相同、V相等而又相互影响的若干个一阶环节组成的过程，随着N增加，它的影响接近一阶环节加滞后的过程。②若干个T相同、V相等而又相互影响的环节，可分解为一个较大时间常数、其余较小，较大起主导作用，较小组成一个纯滞后。结论：有无相互影响的多容过程均可作用来近似。这就是工业过程基本都可用了表示传递过程的原因。注意：有无相互影响的之比有很大差别，如n=10，无相互影响=1，而相互影响=0.1因此有相互影响的系统更易控制些。1．2．4具有反向响应的过程反向响应：指其阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。典型例子：锅炉汽包水位h受蒸汽量干扰是的变化过程。图1.2-8锅炉汽包水位对给水的阶跃时间响应曲线图在加入冷水过程中：汽包内水泡受冷后收缩，水面下降=当燃料量不变时，汽包内水位应随冷上加入量而增大=两种变化的迭加总特性为=结论：①当时，在响应初期，占主导，过程呈反向，如时，过程没有反向特性。②呈反向特性时，传递函数总具有一个正的零点，传递函数存在正实部零点的过程属于非最小相位过程，较难控制，应考虑特殊方法（如后面讲多冲量控制系统）。1.2.5不稳定过程工业过程中，还存在具有不稳定特性的过程，主要在化学反应中，如吸热反应的反应温度T是稳定的，反应器内部存在负反馈。当T受干扰增大时，吸热量也相应增大，从而使反应温度T减小，恢复到给定值；而对于放热反应的反应温度T的变化，由于反应器内部存在正反馈因而反应温度是不稳定的。当T受干扰增大时，放热量也相应增大，从而使反应温度T更大，从而不能恢复到给定值。为开环不稳定系统。图1.2-9不稳定过程的阶跃响应曲线1.3被控变量与操纵变量的选择1.3.1被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作,产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的控制要求。为此，自控设计人员必须深入生产实际，进行调查研究，只有在熟悉生产工艺的基础上才能正确的选择出被控变量。对于以温度、压力、流量、液位为操作指标的生产过程，就选择温度、压力、流量、液位作为被控变量，这是很容易理解的，也无需多加讨论。质量指标是产品质量的直接反映，因此，选择质量指标作为被控变量应是首先要进行考虑的。采用质量指标作为被控变量，必然要设计到产品成分或物性参数（如密度，粘度等）的测量问题，这就需要用到成分分析仪表和物性参数测量仪表。有关成分和物理参数的测量问题，目前国内外尚未得到很好的解决。一来因为产品品种类型很不齐全，致使有些成分或物性参数目前尚无法实现在线测量和变送；二来这些仪表，特别是成分分析仪表具有较严重的测量滞后，不能及时地反映产品质量变化的情况。当直接选择质量指标作为被控变量比较困难或不可能时，可以选择一种间接的指标作为被控变量。但是必须注意，所选用的间接指标必须与直接指标有单值的对应关系，并且还需具有一定变化灵敏度，即随着产品质量的变化，间接指标必须有足够大的变化。以苯、甲苯二元系统的精馏为例。在气、液两相并存时，塔顶易挥发组分的浓度、温度和压力三者之间有着如下函数关系：（1.3-1）这里是直接反映塔顶产品纯度的，是直接的质量指标。如果成分分析仪表可以解决，那么，就可以选择塔顶易挥发组分的浓度作为被控变量，组成成分控制系统。如果成分分析仪表不好解决，或因成分测量滞后太大，控制效果差，达不到质量要求，则可以考虑选择一间接指标参数：塔顶温度或塔压作为被控变量，组成相应的控制系统。图1.3-1简单精馏过程示意图在考虑选择或其中之一作为被控变量时是有条件的。由式（1.3-1）可看出，它是一个二元函数关系，即与及都有关。只有当或有一个不变时，式（1.3-1）才可简化成一元函数关系。即当一定时：(1.3-2)当一定时：(1.3-3)总之，对于某个给定的工艺过程，应选择哪几个工艺函数为受控变量采用直接参数法即以工艺参数为受控变量（最好为温度压力流量液位四大参数）间接参数法原选定的受控变量受检测仪表的约束，要寻找与受控变量有单一的线性函数关系的间接参数来作为受控变量。如蒸馏塔组分的检测控制，一般用温度代替，但压力（塔压）必须恒定，即。一个设备多个受控变量应以自由度分析，找出独立变量—组分数—相数[例1.3-1]饱和蒸汽=1，=2，则自由度=1-1+2=1蒸汽质量受控变量选一个（或）过热蒸汽=1，=1，则自由度=1-1+2=2受控变量则选2个（、）1.3.2操纵变量的选择为了正确地选择操纵变量。首先要研究对象的特征。我们知道被控变量是被控对象的一个输出。影响被控的外部因素则是被控对象的输入。现在的任务是在影响被控变量的诸多输入中。选择其中某一个可控性良好的输入量作为操纵变量。而其它未被选中的其他输入量，则称为系统的干扰。因此对操纵变量的选择应注意：工艺的合理性不能选工艺流程的主物料量（除非有中间储槽）为调节参数，应选辅助（侧线）物料，如换热器，只能选载热体为调节量，而不能选物料加入量为调节参数，因后者在调节过程中引起生产波动。②对受控变量有明显的影响作用，即要求有放大系数大，时间常数快速。1.4过程可控程度分析过程可控程度：指对过程进行控制的难易程度。本节介绍一种度量过程程度的指标。1.4.1度量过程可控程度（简称可控性）的指标的导出条件：相同的控制器、最佳整定，在相同的干扰作用下进行不同过程的比较。假定控制器为纯比例，参数整定目标=4：1如图1-17所示的二阶系统：图1.4-1二阶系统方块图其传递函数为：当=4：1时，（令）式中：——开环系统总的静态增益。利用偏差绝对值积分（IAE）指标由于工作周期也是系统过程的品质指标，则引入（）则上式写成∵=4:1震荡时，工作频率比临界频率约小10-30%，两者有一定的比例关系对上式由于相同（相同的干扰）则若系统没有较大的纯滞后或分布参数，一般值大于10，这样上式中的“1”可以忽略去。化简得，设，都是过程在纯比例控制下，系统达到震荡时的参数。此式说明，于成反比，越大质量越好。1.4.2广义对象时间常数和纯滞后对可控程度的影响以三阶过程为例，时间常数对的影响，令与一般单回路系统的广义对象传递函数类似。—可看成对象时间常数，最大；—可看成调节阀时间常数，次之；—可看成对检测变送时间常数，最小。下表为时间常数变化对的影响。表1.4-1列出、、不同变化下、与由表得出结论：①增大，、不变，及增大，质量好②减小，、不变，、及增大，质量好③存在极值点*，当＞*或＜*时，及增大利用MATLAB仿真得到不同时间常数、、搭配的过渡过程曲线，也可得到同样的结论。图1。4-2不同的时间常数T搭配产生不同的过渡过程仿真试验曲线对于高阶过程（四、五阶纯滞后过程）规律：①增大与减小，拉开第一与第二时间常数距离，增大，质量好最小时间常数减小，增大，质量好从频率特性分析，，，，纯滞后的加入总是使减小，减小，减小。(如图1.4-2所示)图1。4-2用频率特性表示纯滞后的影响（1-无纯滞后的影响；2-有纯滞后的影响)1.5广义对象各环节对可控程度的影响如图示线性单回路系统图1。5-1线性单回路控制系统1.5.1干扰通道特性对控制质量的影响设其中的、、为三个特性指标1.放大倍数的影响假定所研究的系统方框图如图1.5-1所示。由图1.5-1可直接求出在干扰作用下的闭环传递函数为：（1.5-1）由式（1.5-1）可得（1.5-2）令；；并假定为单位阶跃干扰，则将各环节传递函数代入式（1.5-2），并运用终值定理可得：（1.5-3）式中为控制器放大倍数与被控对象放大倍数的乘积，称之该系统的开环放大倍数。对于定值系统，即系统的余差。由式（1.5-3）可以看出，干扰通道的放大倍数越大，系统的余差也越大，即控制静态质量越差（如图1.5-2所示）。图1.5-2干扰通道放大系数变化的影响结论：增大，差，干扰影响大。2.时间常数的影响未了研究问题方便起见，令图1.5-1中的各环节放大倍数均为1，这样系统在干扰作用下的闭环传递函数应为：（1.5-4）系统的特征方程为：（1.5-5）由式（1.5-5）可知，当干扰通道为一阶惯性环节时，与干扰通道为放大环节相比，系统的特征方程发生了变化，表现在根平面的负实轴上增加了一个附加极点。这个附加极点的存在，除了会影响过渡过程时间外，还会影响到过渡过程的幅值，使其减小了倍，这样过渡过程的最大动态偏差也将随之减小。这对提高系统的品质是有利的。而且随着的增大，控制过程的品质亦会提高。如果干扰通道阶次增加，例如干扰通道传递函数为两阶的，那么，就有两个时间常数及。按照根平面的分析，系统将增加两个附加极点及，这样过渡过程的幅值将缩小倍。因此控制质量将进一步获得提高（如图1.5-3所示）。图1.5-3干扰通道时间常数变化的影响结论：增大，对扰动起滤波作用，增大使系统受干扰作用缓慢。有了上面的分析基础，讨论干扰从不同位置进入系统对被控变量的影响就不困难了。图1.5-4所示、及从不同的位置进入系统，如果干扰的幅值和形式都是相同的，显然，它们对控制质量的影响程度依次为最大，次之，而为最小。下面用图1.5-5来分析此结论。图1.5-4干扰进入位置图由图1.5-5可看出，对的影响依次要经过、、三个环节，如果每一个环节都是一阶惯性环节的，则对干扰信号进行了三次滤波，它对被控变量的影响会削弱得多，对被控变量的实际影响就会很小。而只经过一个环节就影响到，它的影响被削弱的较少，因此它对被控变量影响最大。图1.5-5干扰进入位置图等效方框图由上述分析可得出如下结论：干扰通道的时间常数越大，各数越多，或者说干扰进入系统的位置越远离被控变量而靠近控制阀，干扰对被控变量的影响就越小，系统的质量则越高。3.纯滞后的影响在上面的分析中干扰通道时间常数对被控变量影响时，没有考虑到干扰通道具有纯滞后的问题，如果考虑干扰通道具有纯滞后那么干扰通道的传递函数为：（1.5-6）这样将（1-4）式改写成干扰通道具有纯滞后的闭环传递函数：（1.5-7）求取（1-4）与（1-9）在干扰作用下的过渡过程与。由控制理论中的滞后定理可以得出、之间的关系为：如图1.5-6所示图1.5-6干扰通道纯滞后的影响（1-无纯滞后的影响；2-有纯滞后的影响)结论：干扰通道具有纯滞后对系统质量无影响（指反馈系统，前馈系统无法实现补偿模型），只是将响应推迟一段时间。总结干扰通道特性对控制质量的影响，如表1.5-1所示。表1.5-1调节通道特性对控制质量的影响特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响增加余差增加无影响增加无影响过渡过程时间减小，震荡幅值减小增加无影响无影响1.5.2调节通道特性对控制质量的影响设调节通道传递函数为：讨论中的、、三个特性指标1.放大倍数的影响放大倍数对控制质量的影响要从静态和动态两个方面进行分析。从静态方面分析，由式（1-6）可以看出，控制系统的余差与干扰通道放大倍数成正比，与调节通道的放大倍数成反比，因此当、不变时，调节通道的放大倍数越大，调节系统的余差越小。放大倍数的变化不但会影响控制系统的静态控制质量，同时对系统的动态控制质量也产生影响。对一个控制系统来说，在一定的稳定程度（即一定的衰减比）下，系统地开环放大倍数是一个常数。系统的开环放大倍数是控制器放大倍数与广义对象调节通道放大倍数的乘积。也就是说特定的系统衰减比必须与控制器放大倍数乘积的某特定数值对应。在一定衰减要求之下，减小，必须增大；增大，必须减小。同时由于控制器与广义对象相串联，对系统稳定是定值，因此从系统为稳定性来讲的大小无影响。2.调节通道的时间常数的影响由图1-19可得出单回路控制系统的特征方程为：1+=0（1-10）为了便于分析起见，令，，将、代入式（1-10）得到：（1-11）将式（1-11）化为标准二阶系统形式，得：于是可得：，（1-12）由式（1-12）可求得：，（1-13）这里为系统的自然震荡频率。根据控制原理可知，系统工作频率与其自然震荡频率有如下关系：（1-14）由式（1-14）可看出，在不变的情况下，与成正比，即∝（1-15）从式（1-15）关系可知，不论、哪一个增大，都将会导致系统的工作频率降低。而系统工作频率越低，则控制速度越慢。这就是说调节通道的时间常数越大，系统的工作频率越低，控制速度越慢。这样就不能及时地克服干扰的影响，因而，系统地控制质量会变差。但调节通道的时间常数也不是越小越好。时间常数太小，系统的工作频率过高，系统将变得过于灵敏，反而会影响控制系统地控制品质，会使系统的稳定性下降。大多数流量控制系统的流量记录曲线波动的都比较厉害，就是由于流量对象时间常数比较小的原因所致。图1-23调节通道时间常数变化的影响3.调节通道纯滞后的影响调节通道纯滞后对控制质量的影响可用图1-24加以说明。图中的曲线C是没有控制作用时系统在干扰作用下的反应曲线。如果未变送器的灵敏度，那么，当调节通道没有纯滞后时，调节作用从时刻开始就对干扰起抑制作用，控制曲线为。如果调节通道存在有纯滞后时，调节作用从+时刻才开始对干扰起抑制作用，而在此之前，系统由于得不到及时控制，因而被控变量只能任由干扰作用影响而不断上升(或下降)，其控制曲线为E。显然，与调节通道没有纯滞后的情况相比，此时的动态偏差将增大，系统的质量将变差。图1-24纯滞后影响示意图同时，因为纯滞后的存在，使得控制器不能及时获得控制作用效果的反馈信息，因而控制器不能根据反馈信息来调整自己的输出，当需要增加控制作用时会使控制作用增加的太多，而一旦需要减少控制作用时则又会使控制作用减少得太多，控制器出现失控现象，因此导致系统的震荡，使系统的稳定性降低。因此控制系统纯滞后的存在是系统的大忌,纯滞后的存在会大大地恶化系统的调节质量，甚至会出现不稳定情况。因此，工程实践中应当尽量避免调节通道出现纯滞后。图1-25调节通道纯滞后的影响总结调节通道特性对控制质量的影响，如表1-2所示。表1-3调节通道特性对控制质量的影响特性参数对静态质量的影响对动态质量的影响增加余差减小（稳定前提下）系统趋向于震荡增加无影响过渡过程时间增加，系统频率变慢增加无影响稳定程度大大降低1.6检测变送环节检测变送环节的任务是对被控变量或其它有关参数作正确测量，并将它转换成统一信号如（4~20mA），测量变送环节的传递函数可表示为：一般→0，较小，为简化分析，有时也假设→0，这样当=1时，可将控制系统看成单位反馈系统（控制理论中经常这样描述）。检测变送需注意的两点：①，因变送器采用模拟单元组合仪表，输出范围为定值（如4-20mA）,则与测量范围成反比，越大，测量范围越小，测量精度越高。②变送器的输出值与测量值的关系：线性变送时：变送器输出=（测量值/测量范围）（变送器输出最大值-变送器输出最小值）+变送器输出最小值非线性变送（差压法测流量）时：变送器输出=（测量值/测量范围）2（变送器输出最大值-变送器输出最小值）+变送器输出最小值1.6.1关于测量误差1.仪表本身误差增大可减小测量误差，但调节系统稳定性受影响，应与配合。2.安装不当引入误差如，流量测量中，孔板装反；直管道不够；差压计引压管线有气泡等。3.测量的动态误差如温度测温元件，应尽量减小、，成份分析应尽量减少。1.6.2测量信号的处理1.对呈同周期性的脉动信号需进行低通滤波2.对测量噪声需进行滤波3.线性化处理1.7执行器环节1.7.1执行器概述执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的。执行器由执行机构与调节机构构成，在用电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛应用以下三种控制方式，如REF_Ref127009482\h图0.1所示。图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s11执行器的构成及控制形式调节器伺服放大器操作器电动执行机构调节阀调节器电/气转换器气动执行机构调节阀调节器电/气阀门定位器转换器气动执行机构调节阀执行器有各种不同的分类方法，其分类如下：①按动力能源分类分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，而且价格较低；它可以方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为0.02~0.1MPa的标准气压信号，仍然可用气动执行器。②按动作极性分类分为正作用执行器和反作用执行器。③按动作行程分类分为角行程执行器和直行程执行器。④按动作特性分类分为比例式执行器和积分式执行器。在自控系统中，为使执行机构的输出满足一定精度的要求，在控制原理上常采用负反馈闭环控制系统，将执行机构的位置输出作为反馈信号，和电动调节器的输出信号作比较，将其差值经过放大用于驱动和控制执行机构的动作，使执行机构向消除差值的方向运动，最终达到执行机构的位置输出和电动调节器的输出信号成线性关系。在应用气动执行机构的场合下，采用电/气转换器和气动执行机构配套时，由于是开环控制系统，只能用于控制精度要求不高的场合。当需要精度较高时，一般都采用电/气阀门定位器和气动执行机构相配套，执行机构的输出位移通过凸轮杠杆反馈到阀门定位器内，利用负反馈的工作原理，大大提高了气动调节阀的位置精度。因此，目前在自控系统中应用的气动调节阀大多数都与阀门定位器配套使用。智能电动执行器将伺服放大器与操作器转换成数字电路，而智能执行器则将所有的环节集成，信号通过现场总线由变送器或操作站发来，可以取代调节器。由于石油、化工等过程工业中的安全问题，所以大量使用的是气动执行器。下面主要介绍气动执行器的特性及应用。1.7.2气动执行器气动执行器又称为气动调节阀，由气动执行机构和调节阀(控制机构)组成。如下图所示。执行器上有标尺，用以指示执行器的动作行程。1.气动执行机构常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类。其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜式执行器。气动薄膜式执行机构的信号压力p作用于膜片，使其变形，带动膜片上的推杆移动，使阀芯产生位移，从而改变阀的开度。它的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。气动活塞执行机构使活塞在气缸中移动产生推力。显然，活塞式的输出力度远大于薄膜式，因此，薄膜式适用于输出力较小、精度较高的场合；活塞式适用于输出力较大的场合，如大口径、高压降控制或蝶阀的推动装置。除有薄膜式和活塞式之外，还有一种长行程执行机构，它的行程长、转矩大，适于输出角位移和大力矩的场合。气动执行机构接收的信号标准为0.02~0.1MPa。气动薄膜执行机构输出的位移L与信号压力p的关系为：(2.SEQ5-\*ARABIC1)图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12气动执行器式中，A为波纹膜片的有效面积，K为弹簧的刚度。推杆受压移动，使弹簧受压，当弹簧的反作用力与推杆的作用力相等时，输出的位移L与信号压力p图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12气动执行器气动薄膜执行机构有正作用和反作用两种形式。当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫正作用执行机构(ZMA型)；当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫反作用执行机构(ZMB型)。正作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片上方的薄膜气室；反作用执行机构的信号压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室。通过更换个别零件，两者就能互相改装。气动活塞执行机构的主要部件为气缸、活塞、推杆，气缸内活塞随气缸内两侧压差的变化而移动。其特性有比例式和两位式两种。两位式根据输入活塞两侧操作压力的大小，活塞从高压侧被推向低压侧。比例式是在两位式基础上加以阀门定位器，使推杆位移和信号压力成比例关系。2.控制机构控制机构即调节阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件。通过阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量也就相应的改变，从而达到控制工艺参数的目的。调节阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。调节阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体的结构、材料各不相同。图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s13调节阀的结构形式根据不同的使用要求，控制阀的结构形式很多，如REF_Ref127009533\h图0.3所示，主要有以下几种：1)直通单座控制阀。这种阀的阀体内只有一个阀芯与阀座。其特点是结构简单、泄露量小，易于保证关闭，甚至完全切断。但是在压差大的时候，流体对阀芯上下作用的推力不平衡，这种不平衡力会影响阀芯的移动。这种阀一般用于小口径、低压差的场合。2)直通双座控制阀。阀体内有两个阀芯和阀座，这是最常用的一种类型。由于流体流过的时候，作用在上、下两个阀芯上的推力方向相反而大小近于相等，可以互相抵消，所以不平衡力小。但是由于加工的限制，上下两个阀芯阀座不易保证同时密闭，因此泄露量较大。根据阀芯与阀座的相对位置，这种阀可分为正作用式与反作用式(或称正装与反装)两种形式。当阀体直立，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减小的称为正作用式。如果阀芯倒装，则当阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大，称为反作用式。3)隔膜控制阀。它采用耐腐蚀衬里的阀体和隔膜。隔膜阀结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其它种类的阀要大。由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄露。这种阀耐腐蚀性强，适用于强酸、强碱等腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。4）三通控制阀。三通阀共有三个出入口与工艺管道连接。其流通方式有合流(两种介质混合成一路)型和分流(一种介质分成两路)型两种。这种阀可以用来代替两个直通阀，适用于配比控制与旁路控制。SHAPESHAPE5）角形控制阀。角形阀的两个接管成直角形，一般为底进侧出。这种阀的流路简单、阻力较小，适用于现场管道要求直角连接，介质为高粘度、高压差和含有少量悬浮物和固体颗粒的场合。6）套筒式控制阀。又名笼式阀，它的阀体与一般的直通单座阀相似。笼式阀内有一个圆柱形套筒(笼子)。套筒壁上有几个不同形状的孔(窗口)，利用套筒导向，阀芯在套筒内上下移动，由于这种移动改变了笼子的节流孔面积，就形成了各种特性并实现流量控制。笼式阀的可调比大、振动小、不平衡力小、结构简单、套筒互换性好，更换不同的套筒(窗口形状不同)即可得到不同的流量特性，阀内部件所受的气蚀小、噪音小，是一种性能优良的阀，特别适用于要求低噪音及压差较大的场合，但不适用高温、高粘度及含有固体颗粒的液体。7）蝶阀。又名翻板阀。蝶阀具有结构简单、重量轻、价格便宜、流阻极小的优点，但泄露量大，适用于大口径、大流量、低压差的场合，也可以用于含少量纤维或悬浮颗粒状介质的控制。8）球阀。球阀的阀芯和阀体都呈球形体，转动阀芯使其与阀体处于不同的相对位置时，就具有不同的流通面积，以达到流量控制的目的。9）凸轮挠曲阀。又名偏心旋转阀。它的阀芯呈扇形球面状，与挠曲臂及轴套一起铸成，固定在转动轴上。凸轮挠曲阀的挠曲臂在压力作用下会产生挠曲变形，使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性好。同时它的重量轻、体积小、安装方便，适用于高粘度或带有悬浮物的介质流量控制。除以上所介绍的阀以外，还有一些特殊的控制阀。例如小流量阀适用于小流量的精密控制，超高压阀适用于高静压、高压差的场合。同时如图2.18所示的各种调节阀，其特性都不过零(即都有泄漏)，为此，常接入截止阀。3.调节阀口径C值的选择调节阀正常开度处于15%—85%之间，〉90%大开度（阀选小了）系统处于失控，非线性区；《10%小开度（阀选大了）系统处于小开度，易震荡。阀口径大小由流通能力C决定（C值具体计算由《自控工程程设计》课讲）C值的定义：阀前后压差为0.1Mpa，介质密度为1g/cm3小时通过阀门的流体的重量流量T/h4.确定调节阀的气开与气关形式依据：以调节阀失灵（膜头信号断开）时，阀门处于位置能保证正常安全生产。图1-25调节阀气开气关结构示意图1.7.3调节阀调节阀的流量特性主要有三种：等百分比、线性、快开不同的流量特性用来克服系统的非线性问题。调节阀的流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与相对位移(即阀芯的相对开度)l/L之间的关系，即(2.SEQ5-\*ARABIC2)1.固有流量特性（理想流量特性）流量特性：指通过调节阀的流量与阀门开度之间的数学关系式线性=C等百分比Q快开阀门增益=等百分比、线性、快开阀流量特性曲线上斜率为Kv，如图2.19所示。由于调节阀阀开度变化时，阀前后的压差ΔP也会变，从而流量q也会变。为分析方便，称阀前后的压差不随阀的开度变化的流量特性为理想流量特性；阀前后的压差随阀的开度变化的流量特性为工作流量特性。如图1-26所示，不同的阀芯形状，具有不同的理想流量特性：①图STYLEREF1\s图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s14理想流量特性②等百分比流量特性。放大倍数随流量增大而增大，所以，开度较小时，控制缓和平稳；大开度时，控制灵敏、有效。③抛物线流量特性。在抛物线流量特性中，有一种修正抛物线流量特性，这是为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的特点，在抛物线特性基础上衍生出来的。它在相对位移30%及相对流量20%以下为抛物线特性，在以上范围为线性特性。④快开流量特性。快开特性的阀芯是平板形的。它的有效位移一般是阀座的1/4，位移再大时，阀的流通面积就不再增大，失去了控制作用。快开阀适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。2.安装流量特性（工作流量特性）由于通过调节阀流量变化引起阻力变化，从而使得阀上压降也发生相应的变化，此时的流量特性称为安装流量或工作流量特性。图1-27图调节阀流量特性畸变曲线图当阀门前后变小时，阀的流量特性发生畸变。畸变程度用S值来表示，S﹥0.6，基本无畸变。畸变规律是：特性曲线总是向左上方畸变，线性阀接近快开，百分比接近线性。S值越小，畸变越严重。畸变后，最小流量变大，使可调比变小，。图1-28具有串联阻力的控制阀的工作流量特性图在实际生产中，控制阀阀前后压差总是变化的，如控制阀阀一般与工艺设备并用，也与管道串联或并联。压差因阻力损失变化而变化，致使理想流量特性畸变为工作流量特性。综合串、并联管道的情况，可得如下结论：串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。1.7.4在实际系统中，电与气两种信号常是混合使用的，这样可以取长补短。因而有各种电/气转换器及气/电转换器把电信号(0~10mADC或4~20mADC)与气信号(0.02~0.1MPa)进行转换。电/气转换器可以把电动变送器送来的信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动调节阀，此时常用电/气阀门定位器，它具有电/气转换器和气动阀门定图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s15电/气转换器简化原理图电/气转换器简化原理图如REF_Ref127009656\h图0.5所示。它是基于力矩平衡的工作原理。输入信号为电动控制系统的标准信号4~20mA或0~10mA，转换为0.02~0.1MPa气动信号再驱动气动执行器。电流流过线圈产生电磁场，电磁场将可动铁心磁化，磁化铁心在永久磁钢中受力，相对于支点产生力矩，带动铁心上的挡板动作，从而改变喷嘴挡板间的间隙，喷嘴挡板可变气阻发生改变，使图中气阻与喷嘴挡板机构的分压系数发生变化，有气压信号输出,通过功率放大器放大，输出气动执行器的标准气信号。输出气信号通过波纹管相对于支点给铁心加一个反力矩，信号力矩与反力矩相等时，铁心绕支点旋转的角度达到平衡。电/气阀门定位器具有电/气转换器与阀门定位器的双重功能，它接收电动调节器输出的4~20mA直流电流信号，输出0.02~0.1MPa或0.04~0.2MPa(大功率)气动信号驱动执行机构。由于电/气阀门定位器具有追踪定位的反馈功能，电信号的输入与执行机构的位移输出之间的线性关系比较好，从而保证调节阀的正确定位。图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s16电/气阀门定位器原理图原理图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s16电/气阀门定位器原理图原理图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s17智能型电/气阀门定位器的构成智能型电/气阀门定位器的构成如REF_Ref127008683\h图0.7所示。它以微处理器为核心，采用的是数字定位技术，即将从调节器传来的控制信号(4~20mA)转换成数字信号后送入微处理器，同时将阀门开度信号也通过A/D转换后反馈回微处理器，微处理器将这两个数字信号按照预先设定的性能、关系进行比较，判断阀门开度是否与控制信号相匹配(即阀杆是否移动到位)，如果正好匹配即偏差为零，系统处于稳定状态，则切断气源，即使两阀(可以是电磁阀或压电阀)均处于切断状态（只有通和断两种状态)，否则，应根据偏差的大小和类别(正偏差或负偏差)决定两阀的动作，从而使阀芯准确定位。智能型电/气阀门定位器的先进性在于：控制精度高、能耗低、调整方便、可任意选择流量阀的流量特性、故障报警，并通过接口与其它现场总线用户实现通信。1.7.5电动执行器电动执行器和气动执行器一样，是控制系统中的一个重要部分。它接收来自控制器的4~20mA或0~10mA直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。电动执行器有直行程、角行程和多转式等类型。角行程电动执行机构以电动机为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移(0˚-90˚)，这种执行机构适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。直行程执行机构接收输入的直流电流信号后使电动机转动，然后经减速器减速并转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种控制阀和其它直线式控制机构。多转式电动执行机构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门，由于它的电机功率比较大，最大的有几十千瓦，一般多用做就地操作和遥控。这三种类型的执行机构都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，三者电气原理完全相同，只是减速器不一样。角行程电动执行机构的主要性能指标：3端隔离输入通道，输入信号4~20mA(DC),输入电阻250Ω；输出力矩：40、100、250、600、1000N·m；基本误差和变差小于±1.5%；灵敏度240μA。图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s18电动执行机构方框图电动执行器主要由伺服放大器和执行机构组成，中间可以串接操作器，如REF_Ref127009733\h图0.8所示。伺服放大器接收控制器发来的控制信号(1-3路)，将其同电动执行机构输出位移的反馈信号If进行比较，若存在偏差，则差值经过功率放大后，驱动两相伺服电机转动。再经减速器减速，带动输出轴改变转角θ。若差值为正，则伺服电机正转，输出轴转角增大；若差值为负，则伺服电机反转，输出轴转角减小。当差值为零时，伺服放大器输出接点信号让电机停转，此时输出轴就稳定在与该输入信号相对应的转角位置上。这种位置式反馈结构可使输入电流与输出位移的线性关系较好。电动执行机构不仅可以与控制器配合实现自动控制，还可通过操纵器实现控制系统的自动控制和手动控制的相互切换。当操纵器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转，进行遥控手动操作。1.伺服电机图STYLEREF1\s0.图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s19伺服放大器工作原理示意图2.伺服放大器其工作原理如REF_Ref127008790\h图0.9所示。伺服放大器主要包括放大器和两组可控硅交流开关Ⅰ和Ⅱ。放大器的作用是将输入信号和反馈信号进行比较，得到差值信号，并根据差值的极性和大小，控制可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ的导通或截止。可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转。3.位置发送器位置发送器的作用是将电动执行机构输出轴的位移线性地转换成反馈信号，反馈到伺服放大器的输入端。位置发送器通常包括位移检测元件和转换电路两部分。位移检测元件用于将电动执行机构输出轴的位移转换成毫伏或电阻等信号，常用的位移检测元件有差动变压器、塑料薄膜电位器和位移传感器等；转换电路用于将位移检测元件输出信号转换成伺服放大器所要求的输入信号，如0~10mA或4~20mA直流电流信号。4.减速器减速器的作用是将伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。直行程式的电动执行机构中，减速器还起到将伺服电机转子的旋转运动转变为执行机构输出轴的直线运动的作用。减速器一般由机械齿轮或齿轮与皮带轮构成。1.8连续P、I、D控制及其调节过程基本概念多年以来,过程控制中,按偏差的比例(P)、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的自动控制器。它具有原理简单，易于实现，鲁棒性强和使用面广等优点。PID控制是一种负反馈控制。在介绍它以前，有必要明确什么是负反馈，以及如何才能体现负反馈的效果。在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。在连接成闭合回路时，可能出现两种情况；正反馈和负反馈。正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，从而导致控制系统的不稳定；负反馈作用则是缓解对象中的不平衡，这样才能正确地达到自动控制的目的。图2.1是一个生产过程的简单控制系统方框图，其中是包括调节阀、被控对象和测量变送元件在内的广义对象的传递函数；虚线框内部分是调节器。注意，按仪表制造业的规定，进入调节器运算部分的偏差信号定义为（2-1）式中为设定值，为被测量的实测值。图2.1生产过程简单控制系统方框图为了适应不同被控对象实现负反馈控制的需要，工业调节器都设置有正、反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或者反作用方式。所谓正作用方式是指调节起的输出信号随着被控变量的增大而增大，此时称整个调节器的增益为“+”。处于反作用方式下，随着被控变量的增大而减小，此时称整个调节器的增益为“-”。这样负反馈控制就可以通过正确选定调节器的作用方式来实现。假定被控对象是一个加热过程，即利用蒸汽加热某种介质使之自动保持在某一设定温度上。如果蒸汽调节阀的开度随着的加大而加大，那么就广义被控对象看，显然介质温度将会随着信号的加大而升高。如果介质温度降低了，自动调节器就应加大其输出信号才能正确地起负反馈控制作用，因此调节器应置于反作用工作方式下。反之，如果被控对象是一个冷却过程，并假定冷却剂调节阀的开度随着信号的加大而加大，那么被冷却介质温度将随着信号的加大而降低。在这个应用中，调节器应置于正作用方式下。此外，调节器的正、反作用也可以借助控制系统方框图加以确定。当控制系统中包含很多串联环节时，这个方法更为简便。在方框图中，各个环节的增益有正有负，负反馈要求闭合回路上所有环节（包括调节器的运算部分在内）的增益之乘积是正数。图2.2中画出了上述加热器温度控制系统方框图，其中、及分别代表被控过程、调节阀、和测量变送装置的增益，代表调节器运算部分的增益，为调节阀的开度，为被调量的测量值。注意，调节器置于正作用方式时，为负，反之为正。在该例子中，、及都是正数，因此负反馈要求为正，即要求调节器置于反作用方式。图2.2根据控制系统方框图确定调节器正反作用下面分别讨论PID控制中的各种调节规律。1．8．2比例调节1.比例调节规律在比例（P）调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即（2-2）式中称为放大倍数（视情况可设置为正或负）。需要注意的是，上式中的调节器输出实际上是对其起始值的增量，因此，当偏差为零因而时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有，的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。在工业上所使用的控制器，习惯上采用比例度（也称比例带），而不用放大倍数来衡量比例控制作用的强弱。所谓比例度就是指控制器输入的相对变化量与相应的输出的相对变化量之比的百分数。用式子表示：（2-3）式中——调节器的输入变化量（即偏差）——相应于偏差为时的调节器输出变化量；——仪表的量程；——调节器输出的工作范围。具有重要的物理意义。如果直接代表调节阀开度的变化量，那么从式（2-3）可以看出，代表调节阀的开度改变100%，即从全关到全开时所需的被调量的变化范围。只有当调节量处于这个范围以内，调节阀的开度（变化）才与偏差呈比例。超出这个比例度以外，调节阀已处于全关或全开的状态，此时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，而调节器也暂时失去控制作用了。实际上，调节器的比例度习惯用它相对于被调量测量仪表的量程的百分数表示。例如，若测量仪表的量程为100℃，则=50%就表示被调量需要改变50℃才能使调节阀从全关到全开。那么比例度与放大倍数增益是什么关系呢？可将（2-3）式改写一下，写成：=（2-4）对于一只调节器来说，是固定常数，特别是对于单元组合仪表，调节器的输入信号是由变送器来的，而调节器与变送器的输出信号都是统一的标准信号，因此常数=1。所以在单元组合仪表中，比例度就和放大倍数互为倒数关系，即（2-5）2.比例调节的特点比例控制作用是最基本的，也是最主要的控制规律。它能比较迅速的克服干扰。比例控制作用适合干扰变化幅度小，自衡能力强，对象滞后较小，控制质量要求不高的场合。比例调节的显著特点就是有差调节。工业过程在运行中经常会发生负荷变化。所谓负荷是指物料流或能量流的大小。处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入量与流出量之间总是达到平衡的，因此，人们常常根据调节阀的开度来衡量前负荷的大小。如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被测量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差。下面举例说明。图2.3是一个水加热的出口水温控制系统。在这个控制系统中热水的温度是由传感器和T获取信号并送到调节器C的，调节器控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定，加热器的热负荷既决定于热水流量也决定于热水温度。假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度直接视为调节器的输出。图2.4中的直线1是比例调节器的静特性，即调节阀开度随水温变化的情况。水温愈高，调节器应把调节阀开的愈小，因此它在图中是左高右低的直线，比例度愈大，则直线斜率愈大。图中曲线2和3分别代表加热器在不同的热水流量下的静特性。它们表示加热器在没有调节器控制时，在不同热水流量下稳态出口水温与调节阀开度之间的关系，可以通过单独对加热器进行一系列实验得到。直线1与曲线2的交点代表在热水流量为，业已投入自动控制并假定控制系统是稳定的情况下，最终要达到的稳态运行点，那时的出口水温度为，调节阀开度为。如果假定就是水温的设定值（这可以通过调整调节器的工作点做到），从这个运行点开始，如果热水流量减少为，那么在调节过程结束后，新的稳态运行点将移到直线1和曲线3的交点。这就出现了被调量残差，它是比例调节规律所决定的。不难看出，残差既随着流量变化幅度也随着比例度的加大而加大。比例调节器虽然不能准确保持被调量恒定，但效果还是比不加自动控制好，在图2.4中可见，从运行点开始，如果不进行自动控制，那么热水流量减小为后，水温将根据其自平衡特性一直上升到为止。从热量平衡观点看，在加热器中，蒸汽带入的热量是流入量，热水带走的热量是流出量。在稳态下，流出量与流入量保持平衡。无论是热水流量还是热水温度的改变，都意味着流出量的改变，此时必须相应地改变流入量才能重建平衡关系。因此，蒸汽调节阀开度必须有相应的改变。从比例调节器看，这就要求水温必须有残差。加热器是具有自衡特性的工业过程，另有一类过程则不具有自横特性，工业锅炉的水位控制就是一个典型例子。这种非自衡过程本身没有所谓的静特性，但仍可以根据流入、流出量的平衡关系进行无残差的分析。为了保持水位的稳定，给水量必须与蒸汽负荷取得平衡。一旦失去平衡关系，水位就会一直变化下去。因此当蒸汽负荷改变后，给水调节阀开度必须有相应的改变，才能保持水位稳定。如果采用比例调节器，这就意味着在新的稳态下，水位必须具有残差。还可以注意到，水位设定值的改变不会影响锅炉的蒸汽负荷，因此在这种情况下水位也不会有残差。3.比例调节对于调节过程的影响一个比例控制系统，由于对象特性的不同与比例控制器的比例度的不同，往往会得到各种不同的过渡过程形式。一般来说，对象特性因受工艺设备的限制，是不能任意改变的。那么如何通过改变比例度来获得我们所希望的过渡过程形式呢？这就要分析比例度的大小对过渡过程的影响。比例度对过渡过程的影响如图1.26所示。如前所述，比例度对余差的影响是：比例度越大，放大倍数越小，由于，要获得同样的控制作用，所需的偏差就越大，因此同样的负荷变化下，控制过程终了时的余差就越大，最大偏差增大，调节周期增长，稳定性增加；反之，最大偏差减小，调节周期缩短，稳定性变差，余差也随着减少。图1-29变化对过渡过程的影响曲线1．8．2比例积分调节1.积分调节的特点在积分调节中，调节器的输出信号的变化速度与偏差信号成正比，即（2-5）或（2-6）式中称为积分速度，可视情况取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。积分调节的特点是无差调节，与比例调节的有差调节形成鲜明对比。式（2-5）表明，只有当被调量偏差为零时，积分调节器的输出才会保持不变。然而与此同时，调节器的输出却可以停在任何数值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。采用积分调节的控制系统，其调节阀开度与当时被调量的数值本身没有直接关系，因此积分调节也称浮动调节。积分调节的另一特点是它的稳定作用比比例调节差，对于同一个被控对象，采用积分调节时其调节过程的进行总比采用比例调节时缓慢，表现在震荡频率较低。把它们各自在稳定边界上的震荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用比例调节则被控对象须提供180°相角滞后。而采用积分调节则被控对象只需提供90°相角滞后。这说明了为什么用积分调节取代比例调节就会降低系统的震荡频率。2.比例积分控制器的动作规律比例积分控制器，由于引入积分作用，系统具有消除余差的能力。他的调节规律为（2-7）或（2-8）式中为比例度，可视情况取正值或负值；为积分时间。和是比例积分调节器的两个重要参数。图2.9是比例积分调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为的阶跃，然后以固定速度变化。当时，调节器的总输出为。这样，就可以根据图2.9确定和的数值。还可以注意到，当时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，可以衡量积分部分在总输出中所图2.9PI调节器的阶跃响应占的比重：愈小，积分部分所占的比例愈大。3.比例积分调节对于调节过程的影响当工艺要求静态无余差，控制对象容量滞后小，负荷变化幅度较大，但变化过程又较慢的场合，可采用比例积分作用控制规律的控制器。一般来说，积分时间越小，积分作用越强，系统的稳定性也相应下降，消除余差能力增强。比例度的大小对过渡过程的影响前面已分析过，这里着重分析积分时间对过渡过程的影响。这里必须区别两种情况：调节器其它参数不变，仅仅变化时在同样比例度下，积分时间对过渡过程的影响如图2.10（a）所示。当缩短积分时间，加强积分控制作用时，一方面克服余差的能力提高，最大偏差减小；调节周期缩短，这是有力的一面。但另一方面会使过渡过程震荡加剧，稳定性降低。积分时间越短，震荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散震荡，这是不利的一方面。以系统稳定性保持不变为前提，当变化后必须相应调整比例度。在相同的衰减比的情况下，积分时间对过渡过程的影响如图2.10（b）所示。当缩短积分时间，加强积分控制作用时，克服余差的能力提高，但最大偏差增加；调节周期增长。这主要是因为调节器加入积分后，使调节系统的稳定性变差，为保持原系统的稳定性，必须将比例度增大，这样出现了以上的结论。图1-30Ti变化对过渡过程的影响曲线4.积分饱和及其防止具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间有偏差，其输出就会不停的变化。如果由于某种原因（如阀门关闭、泵故障等），被调量偏差一时无法消除，然而调节器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段时间后，调节器输出将达到某个限制值并停留在该值上，这种情况称为积分饱和。进入积分饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态退出来，重新恢复控制作用。积分饱和的限制一般要比使调节阀全开～全关的信号范围大得多。如气动调节阀的输入有效信号范围为：0.02～0.1MPa，而气动调节器的积分饱和上限约等于气源压力（0.14～0.16MPa），下限接近于大气压（即表压0MPa）。积分饱和现象经常发生在间歇过程的控制中，如图2.11的恒压放空系统，压力设定值为0.5MPa，从安全角度考虑调节阀选气关式，调节器选反作用。假定该系统在停车时没有切断气源，调节器一直在工作，则由于压力测量值总是大大低于设定值。所以调节器的输出将达到气源压力（如0.14MPa），这就是图2.11中段的情况。在时，由于工艺开车容器内开始升压，压力测量值随之升高，但在达到设定前，偏差总是负值。如果积分作用强于比例作用，调节器的输出不会下降。在时，压力达到设定值，以后偏差反向，积分作用和比例作用均使调节器输出减小，但在输出气压未降到0.1MPa之前，阀门仍是关闭的。即在这段时间，调节器仍然不起作用。直到以后，阀门才逐渐开启。这一时间上的推迟，使工艺生产在每次开车时，压力的第一个偏差峰值会特别大。这有时会危及安全。为避免这种情况，应采取防止由于积分作用而使信号超越“信号有效范围”，这就是所谓“防积分饱和”。图2.11恒压放空系统图2.12积分饱合的影响下面通过比例积分调节器传递函数，说明防积分饱和的基本原理。（2-10）改写为（2-11）或（2-12）当时，（2-12）式是比例积分控制算式，调节器具有比例积分作用；当时，控制器输出与偏差成比例关系，这时由于积分控制作用不存在，就不会出现积分饱和现象。这种防止积分饱和的方法称为积分外反馈，即积分信号来自外部的信号，自行进行比例与比例积分调节规律切换。下面以气动仪表为例，说明用限幅器的方法，防积分饱和的基本原理。图2.13是气动单元组合仪表的比例积分调节器，输入输出信号之间的运算关系为（2-10）式中、组成一个节流盲室，其输入输出关系为（2-11）（2-11）式代入（2-10）式，得（2-12）这就是气动比例积分调节器的算式，式中为比例增益，为积分时间。（2-12）式可用图2.13的方块图表示，由图可见，方框图中存在正反馈。积分控制作用正是由这正反馈造成的。如果对正反馈进行限幅（见图中虚线方框），限幅上、下限分别为、。则在限幅上限时，比例积分调节器算式为（2-13）在限幅下限时，算式为（2-14）图2.6气动比例积分调节器图2.7比例积分调节器方框图利用限幅器切断了正反馈，输出不会一直增长，从而避免出现积分饱和现象。这里只介绍了用限幅器的方法防单回路积分饱和，以后在串级控制与选择性控制章节中，我们还要用介绍外反馈法防积分饱和。1．8．3比例微分调节1.微分调节的特点前面介绍的比例积分控制规律，由于同时具有比例和积分控制规律的优点，针对不同的对象，比例度和积分时间两个参数均可调整，因此适用范围较宽，工业上多数系统都采用。但当对象滞后特别大时，可能控制时间较长，最大偏差较大；当对象负荷变化特别剧烈时，由于积分作用的迟缓性质，使控制作用不够及时，系统稳定性较差，在上述情况下，可以再增加微分作用，以提高系统控制质量。具有微分控制规律的调节器，其输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，